仿生原理与创新设计课件

第七章第七章 仿生原理与创新设计仿生原理与创新设计 第一节第一节 仿生学与仿生机械学概述仿生学与仿生机械学概述一、仿生学一、仿生学第七章仿生原理与创新设计第一节仿生学与仿生机械学1第五章第五章 仿生原理与创新设计仿生原理与创新设计 第一节第一节 仿生学与仿生机械学概述仿生学与仿生机械学概述一、仿生学一、仿生学第五章仿生原理与创新设计第一节仿生学与仿生机械学2第五章第五章 仿生原理与创新设计仿生原理与创新设计 第一节第一节 仿生学与仿生机械学概述仿生学与仿生机械学概述一、仿生学一、仿生学竹鸢楼兰古城的有翼天使木牛流马第五章仿生原理与创新设计第一节仿生学与仿生机械学3第五章第五章 仿生原理与创新设计仿生原理与创新设计 第一节第一节 仿生学与仿生机械学概述仿生学与仿生机械学概述一、仿生学一、仿生学第五章仿生原理与创新设计第一节仿生学与仿生机械学4第五章第五章 仿生原理与创新设计仿生原理与创新设计 第一节第一节 仿生学与仿生机械学概述仿生学与仿生机械学概述一、仿生学一、仿生学研究生物系统的研究生物系统的结构结构和和特征特征、并以此为工、并以此为工程技术提供新的程技术提供新的设计思想设计思想、工作原理工作原理和和系统构系统构成成的科学的科学,称为仿生学（称为仿生学（bionics）。）。第五章仿生原理与创新设计第一节仿生学与仿生机械学5第五章第五章 仿生原理与创新设计仿生原理与创新设计 第一节第一节 仿生学与仿生机械学概述仿生学与仿生机械学概述一、仿生学一、仿生学 仿生学不是仅仅外形相似即可，有些外形相似的仿造很失败，有些外形不像但是结构原理一致的仿生很成功。第五章仿生原理与创新设计第一节仿生学与仿生机械学61、机械仿生：、机械仿生：研究动物体的运动机理，模仿动物的地面研究动物体的运动机理，模仿动物的地面走、跑、地下的行进、墙面上的行进、空中的走、跑、地下的行进、墙面上的行进、空中的飞、水中的游等运动；运用机械设计方法研制飞、水中的游等运动；运用机械设计方法研制模仿各种生物的运动装置。模仿各种生物的运动装置。仿生学的研究内容主要有：仿生学的研究内容主要有：1、机械仿生：仿生学的研究内容主要有：72、力学仿生：、力学仿生：研究并模仿生物体总体结构与精细结构的研究并模仿生物体总体结构与精细结构的静力学性质，以及生物体各组成部分在体内相静力学性质，以及生物体各组成部分在体内相对运动和生物体在环境中运动的动力学性质。对运动和生物体在环境中运动的动力学性质。例如，模仿贝壳修造的大跨度薄壳建筑，例如，模仿贝壳修造的大跨度薄壳建筑，模仿股骨结构建造的立柱，既消除应力特别集模仿股骨结构建造的立柱，既消除应力特别集中的区域，又可用最少的建材承受最大的载荷。中的区域，又可用最少的建材承受最大的载荷。2、力学仿生：83、电子仿生：、电子仿生：模仿动物的脑和神经系统的高级中枢的智模仿动物的脑和神经系统的高级中枢的智能活动、生物体中的信息处理过程、感觉器官、能活动、生物体中的信息处理过程、感觉器官、细胞之间的通信、动物之间通信等，研制人工细胞之间的通信、动物之间通信等，研制人工神经元电子模型和神经网络、高级智能机器人、神经元电子模型和神经网络、高级智能机器人、电子蛙眼、鸽眼雷达系统以及模仿苍蝇嗅觉系电子蛙眼、鸽眼雷达系统以及模仿苍蝇嗅觉系统的高级灵敏小型气体分析仪等。统的高级灵敏小型气体分析仪等。3、电子仿生：94、化学和物理仿生：、化学和物理仿生：模仿光合作用、生物合成、生物发电、生物模仿光合作用、生物合成、生物发电、生物发光等。发光等。例如利用研究生物体中酶的催化作用、生物例如利用研究生物体中酶的催化作用、生物膜的选择性、通透性、生物大分子或其类似物的膜的选择性、通透性、生物大分子或其类似物的分析和合成，研制了一种类似有机化合物，在田分析和合成，研制了一种类似有机化合物，在田间捕虫笼中用千万分之一微克，便可诱杀一种雄间捕虫笼中用千万分之一微克，便可诱杀一种雄蛾虫。蛾虫。反反渗渗透透膜膜吸吸附附法法制制氧氧机机4、化学和物理仿生：反渗透膜吸附法制氧机105、信息与控制仿生、信息与控制仿生：通过研究、模拟生物的感觉（包括视觉、嗅觉、听觉、触觉等）、语言、智能等信息机器及其存储、提取、传输等方面的机理，构思和研制出新的信息系统的仿生方法。模仿模仿动物体内的稳态调控、肢体运动控制、定向与导航动物体内的稳态调控、肢体运动控制、定向与导航等。等。5、信息与控制仿生：通过研究、模拟生物的感觉（包括视觉、115、信息与控制仿生：、信息与控制仿生：例如例如研究蝙蝠和海豚的超声波回声定位系研究蝙蝠和海豚的超声波回声定位系统、蜜蜂的统、蜜蜂的“天然罗盘天然罗盘”、鸟类和海龟等动物、鸟类和海龟等动物的星象导航、电磁导航和重力导航，可为无人的星象导航、电磁导航和重力导航，可为无人驾驶的机械装置在运动过程中指明方向。驾驶的机械装置在运动过程中指明方向。5、信息与控制仿生：12二、仿生机械学二、仿生机械学 仿生机械（仿生机械（bio-simulationmachinery），），是模仿生物的形态、结构、运动和控制，设计是模仿生物的形态、结构、运动和控制，设计出功能更集中、效率更高并具有生物特征的机出功能更集中、效率更高并具有生物特征的机械。械。本章重点讨论仿生机械学本章重点讨论仿生机械学 仿生机械学研究内容主要有功能仿生、结仿生机械学研究内容主要有功能仿生、结构仿生、材料仿生以及控制仿生等几个方面。构仿生、材料仿生以及控制仿生等几个方面。二、仿生机械学仿生机械（bio-simulationm13三、仿生机械学中的注意事项三、仿生机械学中的注意事项1、了解仿生对象的具体结构和运动特性：、了解仿生对象的具体结构和运动特性：仿生机械是建立在对模仿生物体的解剖基仿生机械是建立在对模仿生物体的解剖基础上，了解其具体结构，用高速影象系统记录础上，了解其具体结构，用高速影象系统记录与分析其运动情况，然后运用机械学的设计与与分析其运动情况，然后运用机械学的设计与分析方法，完成仿生机械的设计过程，是多学分析方法，完成仿生机械的设计过程，是多学科知识的交叉与运用。科知识的交叉与运用。三、仿生机械学中的注意事项1、了解仿生对象的具体结构142、避免、避免“机械式机械式”仿生：仿生：生物的结构与运动特性，只是人们开展仿生创新活生物的结构与运动特性，只是人们开展仿生创新活动的启示，不能采取照搬式的机械仿生。动的启示，不能采取照搬式的机械仿生。飞机的发明史经历了从机械式仿生到科学仿生的过程。飞机的发明史经历了从机械式仿生到科学仿生的过程。机械式的仿生是研究仿生学的大忌之一。机械式的仿生是研究仿生学的大忌之一。2、避免“机械式”仿生：153、注重功能目标，力求结构简单：、注重功能目标，力求结构简单：生物体的功能与实现这些功能的结构是经过千万生物体的功能与实现这些功能的结构是经过千万年的进化逐渐形成的，有时追求结构仿生的完全一致年的进化逐渐形成的，有时追求结构仿生的完全一致性是不必要的。性是不必要的。如人的每只手有如人的每只手有14个关节，个关节，20个自由度，如果完个自由度，如果完全仿人手结构，会造成结构复杂、控制也困难的局面。全仿人手结构，会造成结构复杂、控制也困难的局面。所以仿二指和三指的机械手在工程上应用较多。所以仿二指和三指的机械手在工程上应用较多。3、注重功能目标，力求结构简单：164、仿生的结果具有多值性：、仿生的结果具有多值性：要选择结构简单、工作可靠、成本低廉、使用寿命要选择结构简单、工作可靠、成本低廉、使用寿命长、制造维护方便的仿生机构方案。长、制造维护方便的仿生机构方案。5、仿生设计的过程也是创新的过程：、仿生设计的过程也是创新的过程：要注意形象思维与抽象思维的结合，注意打破定势要注意形象思维与抽象思维的结合，注意打破定势思维并运用发散思维解决问题的能力。思维并运用发散思维解决问题的能力。4、仿生的结果具有多值性：5、仿生设计的过程17第二节第二节 仿生机械手仿生机械手 1、仿生机械手机构的运动副及自由度仿生机械手机构的运动副及自由度一、仿生机械手的机构组成一、仿生机械手的机构组成仿生机械手的机构一般为开链仿生机械手的机构一般为开链机构，由若干构件组成。机构，由若干构件组成。n-构件数，构件数，k-运动副数，运动副数，Pk-运动副约束数运动副约束数第二节仿生机械手1、仿生机械手机构的运动副及自由度18F=619-(21+32+46+511)=27手指部分的自由度为手指部分的自由度为F=615-（45+510）=20手臂的自由度为手臂的自由度为人手臂示意图a）人体上肢骨骼 b）人体上肢骨骼机构图1-肩关节 2-肱骨 3-肘关节 4-尺骨、桡骨5-腕关节 6-拇指骨 7-腕骨 8-掌骨 9-指骨第二节第二节 仿生机械手仿生机械手 F=619-(21+32+46+511)=27手指19三指机械手三指机械手四指机械手四指机械手五指机械手五指机械手 二、仿生机械手实例二、仿生机械手实例 三指机械手四指机械手五指机械手二、仿生机械手实例20 二、仿生机械手实例二、仿生机械手实例 三指机械手三指机械手五指机械手五指机械手一位英国Shadow Robot Company的员工演示一款被称为“电脑手套（CyberGlove）”的数字式手套二、仿生机械手实例三指机械手五指机械手一位英国Shad21微型气动人工肌肉结构件图人工肌肉简图a）人工肌肉的构造图 b）人工肌肉致动器简图 二、仿生机械手实例二、仿生机械手实例 微型气动人工肌肉结构件图人工肌肉简图二、仿生机械手实例22第三节第三节 步行与仿生机构的设计步行与仿生机构的设计一、有足动物腿部结构与运动分析一、有足动物腿部结构与运动分析人腿部运动分析人腿部运动分析大腿相对股骨关节转动角度大腿相对股骨关节转动角度小腿相对膝关节转动角度小腿相对膝关节转动角度足底运动足底运动 足底着地，足底平放，足底推离足底着地，足底平放，足底推离鸟类腿部运动分析鸟类腿部运动分析大腿相对股骨关节转动角度大腿相对股骨关节转动角度小腿相对膝关节转动角度小腿相对膝关节转动角度两足步行状态分析a）人的步行状态 b）鸟类的步行状态第三节步行与仿生机构的设计一、有足动物腿部结构与运动分析人23第三节第三节 步行与仿生机构的设计步行与仿生机构的设计一、有足动物腿部结构与运动分析一、有足动物腿部结构与运动分析四足动物腿部运动分析四足动物腿部运动分析前腿运动前腿运动-大腿相对于小腿是向后弯的；大腿相对于小腿是向后弯的；后腿运动后腿运动-大腿相对于小腿是向前弯的。大腿相对于小腿是向前弯的。四足动物的腿部结构示意图第三节步行与仿生机构的设计一、有足动物腿部结构与运动分析四24 拟人机器人腿部6个自由度拟人机器人腿部的理想自由度-7个 二、拟人型步行机器人二、拟人型步行机器人踝关节少了一个自由度拟人机器人腿部6个自由度拟人机器人腿部的理想自由度-7个25双足步行运动的分类 南斯拉夫双足步行机器人研究学者Vukobratovic在1969年提出了著名的ZMP（Zero Moment Point）双足行走运动稳定性概念与判据。其核心思想是要确保单腿支撑期机器人足与地面完全接触，使得各个自由度直接可控，避免出现欠驱动的情形，即：ZMP必须落在支撑凸多边形内部。时至今日，这一方法仍被作为仿人双足步行运动稳定性的重要判定准则二、拟人型步行机器人二、拟人型步行机器人双足步行运动的分类南斯拉夫双足步行机器人研究26双足跑步机器人的运动状态二、拟人型步行机器人二、拟人型步行机器人双足跑步机器人的运动状态二、拟人型步行机器人27新西兰六足步行机器人八足步行机器人Scorion三、多足步行仿生机器人三、多足步行仿生机器人 六足步行机器人常见的行走方式是三角步态三角步态：六足机器人身体一侧的前后足与另一侧的中足共同组成支撑相或摆动相，处于同相的三条腿的动作完全一致，即:三条腿支撑，三条腿抬起换步。抬起的每条腿从躯体看是开式链结构，而同时着地的3条腿或6条腿与躯体构成并联多闭链多自由度结构。行走时相当于机构学里3分支并联机构、6分支并联机构以及串联开式链之间不断变化。新西兰六足步行机器人八足步行机器人Scorion三、多足步行28三、多足步行仿生机器人三、多足步行仿生机器人多足仿生机器人机构学的简化：六足步行机器人在正常步行条件下，各支撑腿与地面接触并存在摩擦不打滑，可以简化为点接触，相当于机构学上的3自由度球面副，再加上踝关节、膝关节及髋关节（各关节为单自由度），每条腿有6个单自由度的运动副。三、多足步行仿生机器人多足仿生机器人机构学的简化：六足步行机29四足走行动作的运动机理与分析四足走行动作的运动机理与分析四四足足步步行行相相：保保证证三三足足着着地地，四四足足的的交交替替运运动动顺顺序序，重重心水平投影必须在三足着地点形成的三角形平面内。心水平投影必须在三足着地点形成的三角形平面内。小跑相：小跑相：三足着地与二足着地交替进行三足着地与二足着地交替进行跑跑相相：三三足足着着地地、二二足足着着地地、单单足足着着地地、无无足足着着地地交交替替进行进行后腿后腿前腿前腿三、多足步行仿生机器人三、多足步行仿生机器人稳定、速度慢稳定、速度中等不稳定、速度快仿生方法：仿生方法：1.掌握仿生对象的组成、结构形式、各部分的参数；掌握仿生对象的组成、结构形式、各部分的参数；2.研研究究仿仿生生对对象象的的站站立立、行行走走姿姿态态，确确定定昆昆虫虫在在不不同同地地形形的的步步态态、位位姿姿、以及对应位姿的受力情况。以及对应位姿的受力情况。四足走行动作的运动机理与分析四足步行相：保证三足着地，四足的30三、多足步行仿生机器人三、多足步行仿生机器人四足步行相：三足着地，四足的交替运动顺序四足步行相：三足着地，四足的交替运动顺序小跑相：三足着地与二足着地交替进行小跑相：三足着地与二足着地交替进行跑相：三足着地、二足着地、单足跑相：三足着地、二足着地、单足着地、无足着地交替进行。着地、无足着地交替进行。仔细观察马连续奔跑时腿部状态。跑跑相相三、多足步行仿生机器人四足步行相：三足着地，四足的交替运动顺31第四节第四节 爬行与仿生机构的设计爬行与仿生机构的设计一、仿生爬行机器人机构一、仿生爬行机器人机构1 1、爬壁机器人、爬壁机器人1)1)足足-掌机构掌机构为了使仿生爬行机器人具有近似于爬行动物的运动特性，爬壁机器人对足为了使仿生爬行机器人具有近似于爬行动物的运动特性，爬壁机器人对足-掌机构都有特殊的要求。掌机构都有特殊的要求。(1)腿机构具有足够的刚性和承载能力；腿机构具有足够的刚性和承载能力；(2)腿机构具有足够大的工作空间；腿机构具有足够大的工作空间；(3)腿机构足端的支撑相直线位移便于控制。腿机构足端的支撑相直线位移便于控制。爬壁机器人对爬壁机器人对腿足机构腿足机构的要求可归纳为以下主要方面的要求可归纳为以下主要方面:第四节爬行与仿生机构的设计一、仿生爬行机器人机构1、爬壁机32 在在腿足机构的端点连接吸掌以后腿足机构的端点连接吸掌以后,对对掌机构掌机构的要求主要有的要求主要有:(1)掌的姿态可以调节控制，以便在地壁过渡行走时适应壁面法线方向；掌的姿态可以调节控制，以便在地壁过渡行走时适应壁面法线方向；(2)调节掌机构的驱动装置尽可能安装到机器人机体上；调节掌机构的驱动装置尽可能安装到机器人机体上；(3)爬壁机器人在壁面上移动时爬壁机器人在壁面上移动时,处于支撑相的掌与足端应没有限制转动的处于支撑相的掌与足端应没有限制转动的强迫约束。强迫约束。第四节第四节 爬行与仿生机构的设计爬行与仿生机构的设计一、仿生爬行机器人机构一、仿生爬行机器人机构1 1、爬壁机器人、爬壁机器人在腿足机构的端点连接吸掌以后,对掌机构的要求主要有:第四33第四节第四节 爬行与仿生机构的设计爬行与仿生机构的设计一、仿生爬行机器人机构一、仿生爬行机器人机构1 1、爬壁机器人、爬壁机器人2)2)吸附吸附机构机构黏性吸附式爬壁机器人负压吸附式爬壁机器人磁吸附爬壁机器人吸附机构不同：吸附机构不同：真空真空吸盘、磁铁等。吸盘、磁铁等。第四节爬行与仿生机构的设计一、仿生爬行机器人机构1、爬壁机34第四节第四节 爬行与仿生机构的设计爬行与仿生机构的设计一、仿生爬行机器人机构一、仿生爬行机器人机构1 1、爬壁机器人、爬壁机器人2)2)吸附吸附机构机构黏性吸附式爬壁机器人黏性吸附式爬壁机器人负压吸附式爬壁机器人磁吸附爬壁机器人吸附机构不同：吸附机构不同：真空真空吸盘、磁铁等。吸盘、磁铁等。壁虎壁虎抗地心引力的抓握秘诀在于脚趾上成排的微小刚毛。这些刚毛可以依靠粘性的范德华力依附在任何表面，范德华力只在微观尺度上发挥作用。这种吸附方式的优势在于可逆地强力抓握，而且不需要使用任何粘合剂。近年来，工程师们已经成功地使用硅胶模拟出类似的刚毛结构，从而推动了各式各样壁虎皮肤模拟技术的出现。斑绒壁虎的足部结构受壁虎启发而发明的LEMUR机器人正紧贴在空间站的外壁上第四节爬行与仿生机构的设计一、仿生爬行机器人机构1、爬壁机35图7-22 复合足-掌机构结构略图1-连杆 2、14-带轮 3-杆 4、6-压带轮 5-张紧轮7-同步带 8-直线轴承 9-导柱 10-丝杠 11-螺母 12-滑块 13-机体 15-掌组件 16-连杆图7-23 爬行壁虎机器人吸附机构图7-24 吸盘组导向和提升装置1-吸盘 2-吸盘提升装置 3-支撑板弹簧4-弹簧 5-导轮 6-链条连接板 7-连杆 8-吸盘支承板第四节第四节 爬行与仿生机构的设计爬行与仿生机构的设计一、仿生爬行机器人机构一、仿生爬行机器人机构1 1、爬壁机器人、爬壁机器人图7-22复合足-掌机构结构略图图7-23爬行壁虎机36二二.蛇形机器人蛇形机器人第四节第四节 爬行与仿生机构的设计爬行与仿生机构的设计1.蜿蜿蜒蜒运运动动是以侧向波传播为特征的运动步态，随着侧向波的传递，身体向前移动，此种步态被认为是生物蛇一种具有高效率的运动步态，适合地形平坦的环境。2.直直线线运运动动是生物蛇通过肋骨、肌肉的交替运动，使身体向前爬行，此种方式与毛虫所采用爬行相似，其运动效率很低，常与其他步态联合使用，适用于狭窄区域。3.鼓鼓风风琴琴运运动动，表面看来与蜿蜒运动相似，但其通过自身向前牵引，使身体向前爬行，通常生物蛇在树上爬行时采用此种步态。4.侧侧移移运运动动具有螺线形特征，可使身体横向或斜向运动，最典型的是生活在沙漠中响尾蛇的运动步态（也称作螺旋步态 ），此步态使生物蛇具有更强的适应性。此外，生物蛇在沿树、杆等物体向上攀爬时采用的步态，也具有螺旋线特征，它是依靠螺旋内测与物体之间的摩擦力稳定身体，利用类似于弹簧伸缩功能，促进自身向上（前）运动。ray通过研究自然界的生物蛇，将基本运动步态分为蜿蜒运动、直线运动、鼓风琴运动和侧移运动。二.蛇形机器人第四节爬行与仿生机构的设计蜿蜒运动是以侧向波37第五节第五节 飞行与仿生机构的设计飞行与仿生机构的设计一、飞行仿生机器人的翅一、飞行仿生机器人的翅1 1、以静电致动方的仿生扑翼、以静电致动方的仿生扑翼1)1)扑翼结构扑翼结构 飞行昆虫的特征如飞行昆虫的特征如外部骨骼外部骨骼、弹性关节、弹性关节、变形胸腔变形胸腔以及伸缩肌肉等为以及伸缩肌肉等为我们设计微型飞行器提供了借鉴思路。我们设计微型飞行器提供了借鉴思路。蜂鸟第五节飞行与仿生机构的设计一、飞行仿生机器人的翅1、以静38两自由度胸腔式扑翼驱动机构两自由度胸腔式扑翼驱动机构拍翅微飞行器第五节第五节 飞行与仿生机构的设计飞行与仿生机构的设计昆虫胸腔的横截面两自由度胸腔式扑翼驱动机构两自由度胸腔式扑翼驱动机构拍翅微飞39二、飞行仿生机器二、飞行仿生机器人实例人实例二、飞行仿生机器402 2）仿生扑翼机构设计）仿生扑翼机构设计2）仿生扑翼机构设计41第六节第六节 游动与仿生机构的设计游动与仿生机构的设计一、鱼类摆动推进的泳动力学原理一、鱼类摆动推进的泳动力学原理 身体波浪式摆动推进身体波浪式摆动推进尾鳍摆动式推进尾鳍摆动式推进第六节游动与仿生机构的设计一、鱼类摆动推进的泳动力学原理42